CN110056491A - 一种碳纳米管阵列推力器 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管阵列推力器，属于空间推进技术领域，包括碳纳米管单元阵列、金属栅极、电源、工质储存箱、保护层、固定板、微处理元件。保护层包括中间贯通相连前后两部分；前半部分前端设有固定板，碳纳米管单元阵列呈阵列分布于固定板一侧，工质储存箱设于固定板另一侧。后半部分外表面上方设有微处理元件、电源。金属栅极为圆形，固定于保护层后半部分内。推力器工作时，碳纳米管单元阵列通电，氩气工质经由固定板从工质储存箱进入碳纳米管单元阵列；微处理元件控制碳纳米管单元阵列工作模式，并控制金属栅极电位与碳纳米管单元阵列的工作模式对应，达成两种工作状态。本发明可以对推力器的性能参数进行精密调整，且可有效减小推力器体积和质量。

Description

一种碳纳米管阵列推力器
技术领域
本发明属于空间推进技术领域，涉及一种碳纳米管阵列推力器。
背景技术
碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)是一种结构特殊的一维纳米材料。碳纳米管具有一些优秀的特性，拥有巨大的潜在应用前景。相较于传统的热发射阴极系统，碳纳米管场致发射具有功耗低、电流密度大、尺寸小、效率高等优势，是一种理想的新型真空电子发射源。同时碳纳米管可以用做电离装置，目前碳纳米管电离源的设计思路主要有两种，碰撞电离以及场电离。碳纳米管电离装置的主要特点为激发电压小、产生电流大，相较传统电离装置具有一定的优势。
离子推力器工作时，推力器尾部会喷出高速离子流，其将在电推进系统的周围形成高电势，从而对航天器产生一定的危害，影响系统的使用寿命。因此需要在离子推力器尾部加装中和器，用于产生电子中和推力器尾部喷出的正离子。
本发明旨在利用碳纳米管单元模块化、阵列化的工作特点，以及碳纳米管单元可以在两种模式下分别产生正离子和电子的特性，设计出一种符合现代航天器对于推进性能精密调整的需要，并能够自行中和尾部正离子束流的新型推力器。
发明内容
本发明针对空间航天器对于推进性能精密调整的需要，设计出一种通过碳纳米管阵列产生等离子体并将等离子体加速以此产生推力的推进装置技术方案：一种碳纳米管阵列推力器。
为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种碳纳米管阵列推力器，包括碳纳米管单元阵列1、金属栅极2、电源3、工质储存箱4、保护层5、固定板6、微处理元件7。
所述保护层5由绝缘材料制成，用于保护内部结构免受外界因素干扰。所述保护层5分为前后两部分，前后两部分为内径不同、厚度相同的圆筒状结构。所述保护层5前半部分内径较小、长度较短，圆筒状结构前端固定有圆形固定板6；所述保护层5后半部分内径较大，长度较长。所述保护层5两部分沿同轴排布，中间贯通相连。所述保护层5后半部分外表面上方固定有微处理元件7、电源3，二者沿同轴由前至后顺次排布。
所述固定板6固定于保护层5前半部分前端，用于固定碳纳米管单元阵列1。所述固定板6用于连通工质箱4与碳纳米管单元阵列1，运输氩气工质。
所述碳纳米管单元阵列1固定于固定板上，呈阵列排布工作，即多个碳纳米管单元1共同工作。所述碳纳米管单元阵列1具体排布方式可以根据推力器工作任务需求进行调整。所述碳纳米管单元1有两种工作模式：处于工作模式一时，所述碳纳米管单元1电离氩气工质形成正离子，并将其从末端喷出，正离子进入保护层后半部分；处于工作模式二时，所述碳纳米管单元1产生电子并从末端喷出，电子进入保护层后半部分。
所述微处理元件7固定于保护层5后半部分外表面前端，通过导线与电源3相连，通过控制电源3来调整碳纳米管单元1的工作模式以及金属栅极2的电位。
所述工质储存箱4固定于保护层5前半部分前端，通过固定板6与碳纳米管单元阵列1相连通，用于提供电离所需的氩气工质。
所述电源3固定于保护层5后半部分外表面中部，通过导线与碳纳米管单元阵列1、金属栅极2、微处理元件7相连，用于提供电力。
所述金属栅极2为圆形，固定于保护层5后半部分圆筒状结构内部。所述金属栅极2为网状结构，其中间部分分布有大小相同排列规则的孔洞，以供正离子和电子通过。所述金属栅极2的电位由微处理元件7控制，当金属栅极2为作为阴极加载负电压时，金属栅极2用于加速正离子，产生推力；当金属栅极2作为阳极加载正电压时，金属栅极用于引导电子流向保护层5后半部分末端。
该碳纳米管阵列推力器中的保护层5用于支撑整体结构，推力器工作时，碳纳米管单元阵列1通电，氩气工质经由固定板6从工质储存箱7进入碳纳米管单元阵列1。微处理元件7控制碳纳米管单元阵列1的工作模式，并控制金属栅极2的电位与碳纳米管单元阵列1的结构工作模式相对应，以达成两种工作状态：系统电离氩气工质产生正离子并加速，产生推力，抑或系统产生电子并引导其流向保护层后半部分末端。正离子与电子于保护层5后半部分末端中和，由保护层5后半部分末端排出碳纳米管阵列推力器。
所述碳纳米管阵列推力器中，碳纳米管单元阵列1的排布方式可以根据具体飞行任务进行调整，阵列中的单个碳纳米管单元1可以选择三种工作方式：关闭、模式一、模式二。多个不同工作方式的碳纳米管单元1可以按照多种排布方式组成阵列共同工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明所述的碳纳米管阵列推力器碳纳米管单元阵列部分调整自由度极高，可以对推力器的性能参数进行精密调整。本发明所述的碳纳米管阵列推力器无需传统离子推力器中的中和器结构，有效减小了推力器体积和质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1碳纳米管单元阵列、2金属栅极、3电源、4工质储存箱、5保护层、6固定板、7微处理元件。
具体实施方式
为更加清楚地阐明本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，所描述的实施例是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围
图1为本发明一中碳纳米管阵列推力器剖面结构示意图，本实施例可以包括：一种碳纳米管阵列推力器，包括，碳纳米管单元阵列1，金属栅极2，电源3，工质储存箱4，保护层5，固定板6，微处理元件7。
所述保护层5由绝缘材料制成，用于保护内部结构免受外界因素干扰。所属保护层5分为前后两部分，两部分别为内径不同、厚度相同的圆筒状结构。所述保护层5前半部分内径较小、长度较短，圆筒状结构前端固定有圆形固定板6；所述保护层5后半部分内径较大，长度较长。所述保护层5两部分沿同轴排布，中间贯通相连。所述保护层5后半部分外表面上方固定有微处理元件7、电源3，二者沿同轴由前至后顺次排布。
所述固定板6固定于保护层5前半部分前端，用于固定碳纳米管单元阵列1。所述固定板6用于连通工质箱4与碳纳米管单元阵列1，运输氩气工质。
所述碳纳米管单元阵列1固定于固定板上，呈阵列排布工作，即多个碳纳米管单元1共同工作。所述碳纳米管单元阵列1具体排布方式可以根据推力器工作任务需求进行调整。所述碳纳米管单元1有两种工作模式，处于工作模式一时，所述碳纳米管单元1电离氩气工质形成正离子，并将其从末端喷出，正离子进入保护层后半部分；处于工作模式二时，所述碳纳米管单元1产生电子并从末端喷出，电子进入保护层后半部分。
所述微处理元件7固定于保护层5后半部分外表面前端，通过导线与电源3相连，通过控制电源3来调整碳纳米管单元1的工作模式以及金属栅极2的电位。
所述工质储存箱4固定于保护层5前半部分前段，通过固定板6与碳纳米管单元阵列1相连通，用于提供电离所需的氩气工质。
所述电源3固定于保护层5后半部分外表面中部，通过导线与碳纳米管单元阵列1、金属栅极2、微处理元件7相连，用于提供电力。
所述金属栅极2为圆形，固定于保护层5后半部分圆筒状结构内部。所述金属栅极2为网状结构，其中间部分分布有大小相同排列规则的孔洞，以供正离子和电子通过。所述金属栅极2的电位由微处理元件7控制，当金属栅极2为作为阴极加载负电压时，金属栅极2用于加速正离子，产生推力；当金属栅极2作为阳极加载正电压时，金属栅极用于引导电子流向保护层5后半部分末端。
具体来说该碳纳米管阵列推力器中的保护层5用于支撑整体结构，推力器工作时，碳纳米管单元阵列1通电，氩气工质经由固定板6从工质储存箱7进入碳纳米管单元阵列1。微处理元件7控制碳纳米管单元阵列1的工作模式，并控制金属栅极2的电位与碳纳米管单元阵列1的结构工作模式相对应，以达成两种工作状态：系统电离氩气工质产生正离子并加速，产生推力，抑或系统产生电子并引导其流向保护层后半部分末端。正离子与电子于保护层5后半部分末端中和，由保护层5后半部分末端排出碳纳米管阵列推力器。
所述碳纳米管阵列推力器中，碳纳米管单元阵列1的排布方式可以根据具体飞行任务进行调整，阵列中的单个碳纳米管单元1可以选择三种工作方式：关闭、模式一、模式二。多个不同工作方式的碳纳米管单元1可以按照多种排布方式组成阵列共同工作。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种碳纳米管阵列推力器，其特征在于，所述的碳纳米管阵列推力器包括碳纳米管单元阵列(1)、金属栅极(2)、电源(3)、工质储存箱(4)、保护层(5)、固定板(6)、微处理元件(7)；
所述保护层(5)由绝缘材料制成，用于保护内部结构免受外界因素干扰；所述保护层(5)分为前后两部分，前后两部分为内径不同、厚度相同的圆筒状结构，前半部分圆筒状结构的内径、长度均小于后半部分圆筒状结构的内径、长度；前后两部分沿同轴排布，中间贯通相连；
所述的保护层(5)前半部分前端设有固定板(6)，碳纳米管单元阵列(1)呈阵列分布于固定板(6)一侧，多个碳纳米管单元共同工作；工质储存箱(4)设于固定板(6)另一侧；固定板(6)用于连通工质储存箱(4)与碳纳米管单元阵列(1)，运输氩气工质；
所述保护层(5)后半部分外表面上方固定有微处理元件(7)、电源(3)，二者沿同轴由前至后顺次排布，微处理元件(7)通过导线与电源(3)相连，通过控制电源(3)来调整碳纳米管单元的工作模式以及金属栅极(2)的电位；所述的电源(3)通过导线与碳纳米管单元阵列(1)、金属栅极(2)、微处理元件(7)相连，用于提供电力；
所述金属栅极(2)为圆形，固定于保护层(5)后半部分圆筒状结构内部；所述金属栅极(2)为网状结构，其中间部分分布有大小相同排列规则的孔洞，用于通过正离子和电子；所述金属栅极(2)的电位由微处理元件(7)控制，当金属栅极(2)为作为阴极加载负电压时，金属栅极(2)用于加速正离子，产生推力；当金属栅极(2)作为阳极加载正电压时，金属栅极(2)用于引导电子流向保护层(5)后半部分末端；
所述碳纳米管单元阵列(1)的排布方式根据推力器工作任务需求进行调整，阵列中的单个碳纳米管单元可以选择三种工作方式：关闭、模式一、模式二；多个不同工作方式的碳纳米管单元可以按照多种排布方式组成阵列共同工作；所述碳纳米管单元阵列(1)处于工作模式一时，所述碳纳米管单元阵列(1)电离氩气工质形成正离子，并将其从末端喷出，正离子进入保护层后半部分；处于工作模式二时，所述碳纳米管单元阵列(1)产生电子并从末端喷出，电子进入保护层后半部分；
所述碳纳米管阵列推力器工作时，碳纳米管单元阵列(1)通电，氩气工质经由固定板(6)从工质储存箱(4)进入碳纳米管单元阵列(1)；微处理元件(7)控制碳纳米管单元阵列(1)的工作模式，并控制金属栅极(2)的电位与碳纳米管单元阵列(1)的结构工作模式相对应，以达成两种工作状态：系统电离氩气工质产生正离子并加速，产生推力，抑或系统产生电子并引导其流向保护层后半部分末端；正离子与电子于保护层(5)后半部分末端中和，由保护层(5)后半部分末端排出碳纳米管阵列推力器。
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